Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

8.2 A REVIEW OF CURRENT THIN-FILM SI CELLS
Many basic concepts of thin-film Si solar cells were suggested decades ago [1, 2]. It
was apparent then that thinner cells would require a means of enhancing optical absorp-
tion. As early as 1975, it was proposed that enhanced optical absorption accompanying
light-trapping can help lower the cell thickness required for efficient generation of pho-
tocurrent to a few microns. The proposed approach used a prismatic configuration to
deflect light into a thin film at oblique incidence, so that the light would be total inter-
nally multireflected within the thin cell. This approach is similar to launching guided
waves in integrated optics. Although this approach did not flourish because of evident
drawbacks, other cell configurations that would support the use of very thin Si films for
solar cell applications were later suggested [3, 4]. Some simple (approximate) calculations
showed that cell efficiencies approaching 10% could be obtained with polycrystalline Si
films of 10-
µ
m thickness with 1-
µ
m grain size [3]. These calculations only considered
bulk recombination arising from grain boundaries (GBs) in polycrystalline Si and pla-
nar cell structures. Although the possibility of the thin-film Si solar cell was envisioned
long ago, a practical realization has begun only recently. The path to TF-Si cells has

---

A REVIEW OF CURRENT THIN-FILM SI CELLS
311
awaited some understanding of how to improve optical losses through enhanced absorption
and the recognition and mitigation of electronic losses because of carrier recombination
at interfaces.
Initial theoretical analysis based on thermodynamic considerations [5] suggested
that rough surfaces and an asymmetric cell structure would effectively enhance optical
absorption in the cell. Surface texturing, which was initially introduced to reduce surface
reflectance for broadband illumination, also resulted in an increase in the optical path
of light transmitted into a Si wafer [6–10]. Following the initial success, texture etching
became a standard process step for fabricating Si solar cells, both in the laboratory and
commercially. Figure 8.3 shows calculated short-circuit current density (
J
SC
) values as a
function of thickness for different texture structures including planar, standard chemical
texture, pyramids, inverted pyramids, and perpendicular slats. The surface structures are
illustrated in Figure 8.4. However, only the laboratory cells, fabricated on high-quality
wafers and with high-reflectance back contacts, realized the advantage of light-trapping.
Although commercial cells also use texturing, its usefulness was perhaps largely limited
to lowering the surface reflectance, rather than enhancing light-trapping. This is because
the typical commercial solar cells use an Al-alloyed back contact that develops a rough
interface, which has very low reflectance and allows most of the light to be transmitted into
the metal where it is absorbed. The light absorbed in the metal constitutes an optical loss.
Surface texture has been successfully produced by anisotropic chemical etching in
solutions of KOH or NaOH. It is known that texturing involves exposition of (111) crystal-
lographic planes, which yield pyramids on (100) wafers. However, good texturing requires
tedious process steps of developing a chemical composition containing silicates [11]. It
was fortunate that texture etching could be combined with saw-damage removal for a
low cost process. Recently, other texturing techniques have been developed that include
reactive-ion etching, mechanical scribing of grooves, and acid etching [12–14]. However,
none of these methods are suitable for thin-film solar cells because they produce deep
43
41
39
37
35
33
31
24
0
50
100
150
Cell thickness
[
µ
m]
MA
CD
[mA/cm
2
]
200
250
Perp. Slat
IPyr
Pyrd
Text
Planar